29 Vysokoenergetické jadrové procesy

29-1 Objav štiepenia jadier

29-1 Objav štiepenia jadier; 29-2 Štiepne neutróny; 29-3 Štiepny U-235 ; 29-4 Fermiho jadrový reaktor; 29-5 Kritické množstvo; 29-6 Jadrové reaktory; 29-7 Atómová bomba; 29-8 Fúzne reaktory;

Úlohy

29-1 Objav štiepenia jadier

Jadrá atómov je ideálne ostreľovať neutrónmi. Sú nukleónmi, ale nemajú elektrický náboj, a nemusia preto prekonávať elektrostatické odpudzovanie jadier. Po objave neutrónov vykonali mnoho umelých premien jadier práve ich pomocou. Zásah jadra neutrónom môže vyvolať emisiu protónu alebo častice alfa, ako je to v nasledujúcich reakciách

$\begin{array}{rcl} n +_{7}^{14} N & \to & _{6}^{14} C +_{1}^{1} H, \\ n +_{7}^{14} N & \to & _{5}^{11} B +_{2}^{4} He . \end{array}$

V niektorých reakciách neutrón môže vyvolať emisiu ďalšieho neutrónu, pričom sám nezostane zachytený v jadre

$n +_{6}^{12} C \to_{6}^{11} C + 2 n .$

V iných prípadoch zase neutrón sa zachytí, a nadbytok energie jadra sa vyžiari v podobe fotónu, teda gama častice. Takéto reakcie nazývame $(n, γ)$ -reakciou, alebo len záchytom neutrónu, ktorý je veľmi častý proces, ak bombardované jadro je ťažké. U ťažkých jadier silná potenciálna bariéra bráni protónom a časticiam alfa opustenie jadra. Pri záchyte neutrónu vzniká ťažší izotop prvku

$n +_{8}^{16} O \to_{8}^{17} O + γ .$

V niektorých prípadoch je záchyt neutrónu nasledovaný emisiou beta častice

$\begin{array}{rcl} n +_{47}^{109} Ag & \to & _{110}^{47} Ag + γ, \\ _{47}^{110} Ag & \to & _{48}^{110} Cd + e^{-}, \end{array}$

čo je vyvolané snahou stabilizovať jadro dosiahnutím vhodného pomeru neutrónov a protónov – je energeticky výhodnejšie, predstavuje silnejšie viazané nukleóny v jadre.

Nemecký radiochemik Otto Hahn¹ a Friedrich Strassmann² objavili, že jadro uránu sa štiepi na dve skoro rovnaké jadrá. Proces objasnili Lise Meitner³ a jej synovec Otto Robert Frisch, čo nasmeroval jadrový výskum do nového smeru. V ranných experimentoch pri bombardovaní jadra „odlúpli“ skutočne len malé kúsky jadra, ale tentokrát došlo k úplnému rozštiepeniu jadra – z veľkej „kvapky“ jadrovej hmoty vznikli dve skoro rovnako veľké „kvapky“. V spomínaných ranných experimentoch pozorovali tiež uvoľnenie energie, ktorá však bola len rádu okolo megaelektronvoltu, ale pri štiepení jadra to bolo $200 MeV$ .

Fyzikálny proces štiepenia jadra objasnili Niels Bohr a John Wheeler⁴, a výsledky svojho výskumu publikovali v renomovanom časopise Physical Review v septembri 1939. Bola to prvá a posledná prehľadová práca o štiepení jadier, ktorá bola publikovaná, než všetko zahalil plášť prísneho utajenia. Podľa Bohra a Wheelera k štiepeniu jadra po pohltení neutrónu dochádza v jadre ako výsledok protichodných síl (príťažlivých jadrových a odpudivých elektrostatických). Ak na jadro pozeráme ako na elektricky nabitú kvapalinu vytvárajúcu kvapku (obr. 29.1a), potom nejaké vybudenie (obr. 29.1b) zmení guľovitý tvar kvapky na pretiahnutý elipsoid (obr. 29.1c), čo má za následok dva typy silových pôsobení:

Sily povrchového napätia sa snažia vrátiť tvar jadra do pôvodného guľovitého tvaru (rovnako ako deformovaná kvapka vody sa snaží znova nadobudnúť guľovitý tvar).
Elektrické náboje na opačných koncoch pretiahnutého elipsoidu sa snažia jadro roztrhnúť svojim elektrostatickým odpudzovaním.

V predchádzajúcej kapitole sme zistili, že pri malých jadrách prevláda povrchové napätie jadrových síl, kým v prípade veľkých jadier sa dostáva k taktovke čoraz viac odpudivá elektrostatická sila pôsobiaca medzi protónmi. Môžeme preto očakávať, že pri veľkých jadrách dopad jediného neutrónu môže spôsobiť takú deformáciu jadra, že ten sa potom rozštiepi (obr. 29.1d).

Obr. 29.1: Štiepenie jadra po pohltení neutrónu.

¹Otto Hahn (08.03.1879-28.07.1968), nemecký chemik a jadrový chemik, nositeľ Nobelovej ceny za chémiu za rok 1944 „za objav štiepenia ťažkých jadier“. Počas prvej svetovej vojny ho vyhľadal Fritz Haber (nositeľ Nobelovej ceny za chémiu), ktorý mu predostrel svoju víziu ukončenia vojny pomocou chemických zbraní. Spolupracoval s ním pri nasadzovaní chemických zbraní priamo na fronte. Na ruskej fronte videl utrpenie ruských vojakov zasiahnutých bojovými plynmi. V roku 1917 bol pravdepodobne aj on zasiahnutý fosgénom, a vrátil sa k svojej práci do Berlína, kde sa venoval jadrovému výskumu spolu s Lise Meitner. Hahnov (a Meitnerovej) objav štiepenia jadier viedol k zostrojeniu prvej atómovej bomby, ktorej sa ale Hahn v nijakej forme nezúčastnil. Mnohí sa mylne tiež domnievajú, že ako významný jadrový chemik sa zúčastnil jadrového programu nacistov, čo tiež nie je pravda. V apríli 1945 západní spojenci mali veľký záujem na nemeckých vedcoch a v rámci operácie Epsilon zajali 10 špičkových, o ktorých predpokladali účasť na nemeckom jadrovom programe. Jediný Hahnov podiel na nemeckom jadrovom programe bolo objavenie štiepenie jadra. Keď sa dozvedel o zhodení atómovej bomby na Hirošimu a Nagasaki, prepadol zúfalstvu.

²Friedrich Wilhelm Fritz Strassmann (22.02.1902-22.04.1980), nemecký chemik. Strassmann vyvinul metódy na datovanie veku minerálov a iných anorganických látok na základe polčasu rádioaktívnych prvkov a obohatenia produktov rozpadu. Strassmann a Ernst Walling vyvinuli rubídiovú-stronciovú metódu pre rádiometrické datovanie v rokoch 1936 a 1937, a Strassmann pokračoval v tejto práci v rokoch 1942 až 1943. Jeho metódy sú známe ako metódy emanácie a Strassmannov výskum v tejto oblasti bol základom pre oblasť geochronológie.

³Lise Meitner [líz/líza majtner] (07.11.1878-27.10.1968) rakúsko-švédska fyzička. Napriek jej významnému podielu na objavení štiepenia jadier, a dlhoročnej spolupráci s Hahnom, jej nebola udelená Nobelova cena za chémiu. Lisa Meitner, vedúca Chemického ústavu cisára Wilhelma, bola židovského pôvodu a pri nástupe nacizmu roku 1933 ju pred represiami chránilo jej rakúske občianstvo. Po pripojení Rakúska Nemecku v roku 1938 utiekla do Dánska potom nasledovala do Švédska. Na cestu sa vydala len 10 ríšskymi markami, a Hahn jej na cestu dal diamantový prsteň svojej matky, aby prípadne mohla podplatiť pohraničnú stráž. Napriek odlúčeniu, spolupráca Lise Meitner a Hahna pokračovalo aj cez hranice. Spomínané vysvetlenie znova vzniklo na servítke (pozri box v časti 27-6 Cyklotróny), keď pri lúčení Lise a jej synovec načrtli na obrúsok jadro atómu v pretiahnutom tvare, ako piškót, čím predpovedali, že štiepenie sa udeje tak, že vzniknú dve približne rovnako veľké jadrá (Hahnova predstava bola, že by mohlo dôjsť k výbuchu jadra na malé „šrapnely“, čo nie je pravda).

⁴John Archibald Wheeler [džon arčibald víler] (09.07.1911-13.04.2008), americký teoretický fyzik. Má pravdepodobne najväčšie zásluhy na oživení všeobecnej teórie relativity v USA po druhej svetovej vojne. Od neho pochádza populárny termín „čierna diera“, „červia diera“, predstava, že vesmír sa dá popísať ako informácia, taktiež predstava, že antičastice ako pozitrón (antičastica elektrónu) by mohli byť elektróny pohybujúce sa v čase späť (formálne to tak skutočne vyzerá). Jeho vplyv na teoretickú fyziku 20-ho storočia bol významný.

29-2 Štiepne neutróny